基于微型涡轮喷气式发动机启动阶段控制特点的研究

舒凯跃

（浙江国际海运职业技术学院 浙江·舟山 316000）

1 主控部分设计

项目中的硬件部分，采用ATMega16作为主控模块。项目中需要涉及到ATMega16的三个计数/定时器：其中TC0与TC2为8位，TC1为16位。硬件上的分配如下：

（1）TC0（PB3）分配给启动电机；

（2）TC1（PD6）分配给转速，完成输入捕获功能；

（3）TC2（PD7）分配给油泵。

2 转速部分设计

Atmega16的T/C1具有外部脉冲捕获的功能（PD6引脚），T/C1的工作原理可以总结为：将被测信号的上升沿（下降沿）作为输入捕捉的触发信号。

我们还要考虑两个因素：T/C1的溢出和不同频率范围下的外部脉冲测量精度问题。我们首先来看一下最简单的一种情况：

晶振为8MHz，将其64分频后作为T/C1的系统时钟，那么T/C1的系统时钟就是125KHz，TCNT1将在这个频率下进行加1计数。我们将外部输入脉冲的上升沿作为触发条件，那么当第一个上升沿出现时，假设TCNT1=m1，当第二个上升沿出现时TCNT1=m2。那么外部脉冲的一个周期耗时：

上面的计算公式中的(m2-m1)没有考虑到16位定时器T/C1的溢出情况，我们需要将各种情况归纳总结如下：

在分析前我们首先要搞清楚两个概念：T/C1的溢出、外部脉冲计数值的溢出。这是两个不同的概念。具体如下：

情况【A】：没有发生T/C1溢出中断，这也是最简单的情况；

情况【B】：发生了T/C1溢出中断，但是没有超过16位计数器的计数值极限；

情况【C】：发生了T/C1溢出中断，已经无法存放超过65536个系统脉冲的个数；

所以代码中有如下判断依据：

因此计算的公式应该根据T/C1是否溢出来进行改变，为此我们使T/C1的溢出中断，并在溢出中断的ISR中置位用户溢出中断标识。

最后一点，我们还需要提高对外部脉冲频率计算的精度。外部脉冲的频率非常高时，如果仅仅检测两个相邻上升沿，那么容易发生在捕捉上升沿时出现过慢或者过快的情况，这种情况导致对外部脉冲周期计数的 T/C1系统时钟脉冲数目增多(捕捉慢了)或者减少(捕捉快了)，从而造成外部脉冲计算的不准确性。为了提高精度，我们可以取N个外部脉冲周期，对这个N个脉冲周期的两端上升沿进行捕捉，这样即便多数或者少数几个对精度也不会造成大的影响。

由于转速很有可能在短时间内发生突变，在转速高的情况下我们N取60，在低转速情况下测量两个相邻上升沿即可(即外部脉冲的一个周期)所以N取1，通用公式如下，外部脉冲的频率：

结合我们涡喷的实际转速特点，发动机刚启动的时候转速一定很低，所以一开始N=1，当转速脉冲频率大于用户设定值以后，将切换到N=60，但这里要特别注意的是，当涡喷转速脉冲频率从很高的值突然下落到很低值得时候，由于此时N=60，故而会发生计数溢出现象，即上述情况【C】，一旦发生，我们就判定为此次得到的为无效数据，然后将N改变为1，使其在下一次计算中能不发生计数溢出，代码如下：

3 启动流程阶段细则

当涡喷发动机处于仅靠燃油维持运转时（自主运行阶段），涡喷之所以能够仅靠燃油维持自转的原因：根据能量守恒，动力的来源一定是燃油的化学能。那么化学能如何转变为对转子的力矩呢。涡喷发动机基于这样的一个循环工作方式：燃油对转子总成中的涡轮做功带动转子总成旋转，在转子总成前端的压气轮在旋转中吸入空气通过扩压器产生一定的氧压比，该压缩氧气与燃烧室中的雾化燃油混合后燃烧，空气被压缩是转子消耗能量的过程，解压缩后的空气膨胀对涡轮做功是转子获得能量的过程。那么如何才能使得后者的能量大于前者呢，秘密就在于“压缩的混合空气受热后再次膨胀时会获得更多的能量”。这部分多余的能量就用来提供推力，换句话说，燃料借助压缩空气膨胀的这条途径来释放自己所蕴含的化学能，并通过涡轮转变为机械能。

要达到上述目的，我们需要为涡轮发动机的正常运行提供以下三个条件：

（1）正确的油气混合比：燃料只有处于雾化的状态才能与压缩氧气混合，当油气比浓度满足燃烧条件时，该混合物才能被点燃；

（2）压缩空气膨胀解压后要获得能量必须要在压缩空气处于压缩的状态下引燃。燃烧室分为两个区（燃烧区和冷却区），压缩空气的燃烧不是在整个燃烧室内进行，而是只能限制在特定的区域中。通过燃烧室的外观也可以看到，冷却区的开孔比较大。燃烧室的燃烧区——燃烧室的冷却区——燃烧室外部的涡轮区。燃烧室的燃烧区：真正燃烧的区域，实现油气混合，压气轮压缩的空气与燃油混合然后燃烧释放出比对其压缩时更大的膨胀力。燃烧室的冷却区：但是这个膨胀力还是太热了，就需要进行冷却，这个气体的冷却就由燃烧室的冷却区来完成。现在：比压缩空气更大的膨胀力得到了，温度也被降下来了，就可以利用它来对涡轮做功推动涡轮，来获得比压缩它更大的功。所以，我们再次强调，涡轮区是做功区，而非燃烧区。如果热悬挂导致的火焰已经在涡轮部分看到了，那么意味着它已经超过了燃烧室的冷却区，已经远远远离了燃烧区。

（3）燃烧的过程中一定要保持横截面燃烧的均匀，因为燃烧的最终目的就是对涡轮做功，一旦燃烧不均匀那么涡轮受力就不均匀，涡轮的总体效率就很低，如果出现燃烧不均匀的现象，在排除机械故障的可能性下，那么很大的原因就应该时燃烧室内的油气混合不均匀，一部分混合浓度较高，而另一部分混合浓度较低。

点火阶段：

本阶段之所以被称为点火阶段是因为，此阶段的火源由热火头提供，当油气混合满足条件后，在热火头的作用下燃烧发生，由于已经有了热火头的协助，所以本阶段的难点在于将油气混合浓度调节到可以被引燃的比例。油雾的浓度由油泵电机PWM模块控制，氧压由启动电机PWM模块控制。

本阶段需完成的目标：

将燃烧室内的温度加热至雾化柴油能燃烧的温度，因为一旦进入下一阶段的“预热阶段”后，雾化柴油的燃烧就不再依靠热火头引燃，而是靠点火阶段带来的燃烧室温度来引燃。总结一下就是：将燃烧室的温度加热到可以引燃雾化油气（启动油路）的程度。

预热阶段：

本阶段之所以被称为预热阶段是因为，将完成对蒸发管的预热，使得当后续阶段的主油路供油时，从蒸发管出来的燃油能直接气化，为下阶段主油路的供油做好准备。

本阶段需完成的目标：

第一：将蒸发管预热，使得当后续阶段的主油路供油时，从蒸发管出来的燃油能直接气化；第二：将燃烧室内的温度继续加热，因为当主油路开始供油时，热火头早已经关闭，此时的主油路雾化和燃烧都是预热阶段后的燃烧室温度来完成。从本阶段开始，要保证燃烧限制在燃烧室的主燃区域。

供油阶段：

主油路电磁阀打开，开始供油。转子在“启动电机”“启动油路”“主油路”三者的共同作用下加速运行。

操作步骤：

步骤1：采用启动电机模块进一步提高启动电机转速，然后开始供入主路柴油；

步骤2：主路柴油供入后尾喷管温度骤升，此时降低主油路流量。

4 结束语

本文对微型涡轮发动机启动阶段的特点进行了详尽的阐述。在本文中，以多次现场试验的现象与数据为依据，将控制系统开发过程中遇到的问题和解决问题所采用的方法进行了充分论证。但是，由于实验条件的限制性，对涡喷怠速以上的试验研究方法还需要进一步完善，以期在对微型涡喷发动机整个运行环节的特点研究过程中得到更好的发现。